Doppelwelle für Elektronenschwung

Plasmabeschleuniger gelten als vielversprechende Zukunfts­technologie: Sie sind viel kompakter als die heutigen, zum Teil kilometer­langen Anlagen. Bei der Weiter­ent­wicklung dieses Ansatzes ist einer inter­natio­nalen Forschungs­gruppe jetzt ein deutlicher Fortschritt gelungen: Mit zwei komplemen­tären Experi­menten am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossen­dorf und an der Uni München konnte das Team erstmals zwei verschiedene Plasma­techno­logien kombinieren und einen neuartigen Hybrid­beschleuniger bauen. Das Konzept könnte die Beschleuniger­entwicklung voran­bringen und auf lange Sicht die Grundlage von hoch­brillanten Röntgen­quellen für Forschung und Medizin bilden.

Bei konventionellen Teilchen­beschleunigern werden starke Radiowellen in Resonatoren geleitet. Auf den Radiowellen können die zu beschleunigenden Teilchen – oftmals Elektronen – wie Surfer auf einer Welle reiten. Doch das Potenzial dieser Technik ist begrenzt: Speist man zu viel Radiowellen-Leistung in die Resonatoren ein, drohen elektrische Überschläge, die das Bauteil beschädigen würden. Um Teilchen auf hohe Energien zu bringen, muss man deshalb viele Resonatoren hinter­einander­schalten, was heutige Beschleuniger zum Teil kilometer­lang werden lässt.

Deshalb tüftelt die Fachwelt verstärkt an einer Alternative: der Plasma­beschleunigung. Dabei feuern kurze und starke Laserblitze in ein Plasma. Darin erzeugt der Laserpuls ein starkes elektrisches Wechselfeld, das Elektronen auf kürzester Distanz enorm beschleunigen kann. Im Prinzip lassen sich auf diese Weise deutlich kompaktere Anlagen bauen. Ein Beschleuniger, der heute hundert Meter lang ist, kann auf eine Länge von wenigen Metern schrumpfen. „Diese Miniatu­ri­sierung macht das Konzept so attraktiv“, erläutert Arie Irman vom HZDR. „Wir hoffen, dass sich damit künftig auch kleine Universitäts­labors einen leistungs­fähigen Beschleuniger leisten können.“

Doch es gibt eine weitere Variante der Plasma­beschleunigung. Hier dienen nicht starke Laser­blitze als Treiber für das Plasma, sondern nahezu licht­schnelle Elektronen­pakete. Gegenüber der laser­getriebenen Plasma­beschleunigung verspricht diese Methode zwei Vorteile. „Im Prinzip sollten sich damit höhere Teilchen­energien erreichen lassen und die beschleunigten Elektronen­strahlen dürften sich besser kontrol­lieren lassen“, so Thomas Kurz vom HZDR. „Der Nachteil ist, dass man bislang große konven­tio­nelle Beschleuniger braucht, um die zum Treiben des Plasmas nötigen Elektronen­pakete herzu­stellen.“ Beispiels­weise misst FLASH bei DESY in Hamburg, wo solche Experi­mente statt­finden, gute hundert Meter.

Genau hier setzt das neue Projekt an. „Wir haben uns gefragt, ob sich nicht auch der Beschleuniger, den man zum Treiben der Plasmawelle benötigt, deutlich kompakter bauen lässt“, erläutert Thomas Heinemann von der University of Strathclyde in Groß­britannien. „Unsere Idee war, diese konven­tio­nelle Anlage durch einen laser­getriebenen Plasma­beschleuniger zu ersetzen.“ Um das Konzept zu testen, entwarf das Team einen raffi­nierten Versuchs­aufbau: Starke Lichtblitze, erzeugt vom HZDR-Laser DRACO, treffen auf einen Gasstrahl aus Helium und Stickstoff. Dort erzeugen sie per Plasmawelle einen gebündelten, schnellen Elektronen­strahl. Dieser Elektronen­strahl tritt durch eine Metallfolie in das nächste Segment, wobei die Folie die Laserblitze zurückwirft.

In diesem nächsten Segment wartet ebenfalls ein Gas, diesmal ein Gemisch aus Wasserstoff und Helium. In diesem Gas kann der eintreffende Elektronen­strahl eine neue, zweite Plasmawelle erzeugen, die dann für andere Elektronen innerhalb von nur einem Milli­meter den Turbo zündet – heraus schießt ein hoch­energe­tischer Teilchen­strahl. „Dabei ionisieren wir das Plasma mit einem zusätz­lichen, schwächeren Laserpuls vor“, erläutert Heinemann. „Dadurch kann die Plasma­beschleunigung mit dem Treiber­strahl viel effektiver ablaufen.“

„Unser Hybridbeschleuniger misst weniger als einen Zentimeter“, erklärt Kurz. „Der strahl­getriebene Beschleuniger­abschnitt nutzt nur einen Millimeter davon, um die Elektronen nahezu auf Licht­geschwin­dig­keit zu bringen.“ Realistische Simula­tionen des Vorgangs zeigen dabei einen bemerkens­werten Anstieg der Beschleuni­gungs­spannung, der mehr als dem Tausend­fachen dieser Kenngröße in einem herkömm­lichen Beschleuniger entspricht. Um die Bedeutung ihrer Ergebnisse zu unter­streichen, setzten die Forscher dieses Konzept in ähnlicher Form am ATLAS-Laser der Uni München um. Doch bevor sich an einen Einsatz der Technologie denken lässt, haben die Fachleute noch manche Heraus­forderung zu meistern.

Mögliche Einsatzfelder haben sie jedenfalls schon im Sinn. „Zum einen könnten Forschungs­gruppen, die bislang keinen geeigneten Treiber­beschleuniger zur Verfügung haben, diese Technik nutzen und weiter­entwickeln“, hofft Irman. „Und zum zweiten könnte unser Hybrid­beschleuniger als Basis für einen Freie-Elektronen-Laser dienen.“ Solche FELs gelten als extrem hochwertige Strahlungs­quellen insbesondere für Röntgenlicht, um Nano­materialen, Biomoleküle oder geologische Proben genau zu analysieren. Bislang benötigen diese Röntgen­laser lange und teure konven­tio­nelle Beschleuniger als Treiber. Durch die neue Plasma­technologie dürften sie deutlich kompakter und kosten­günstiger werden – und damit vielleicht auch für ein normales Uni-Labor erschwinglich.

HZDR / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  T. Kurz et al.: Demonstration of a compact plasma accelerator powered by laser-accelerated electron beams, Nat. Commun. 12, 2895 (2021); DOI: 10.1038/s41467-021-23000-7
• Laser-Elektronenbeschleunigung und Lichtquellen (A. Irmann), Institut für Strahlenphysik, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
• Atoms, beams & plasmas, Physics, University of Strathclyde, Glasgow, Großbritannien
• PULSE - the petawatt physics laboratory, Fklt. für Physik, Ludwig–Maximilians–Universität München